陳鈺聞 巨永鋒 沈佳俊 杜 凱

（長(zhǎng)安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院）

智能鎖具在工廠、軍械庫(kù)、機(jī)要室、醫(yī)院、智能建筑、銀行、賓館、車場(chǎng)、學(xué)校及快遞等領(lǐng)域廣泛運(yùn)用。傳統(tǒng)的機(jī)械鎖、卡片鑰匙式電子鎖及電子密碼鎖等存在一些問題，如機(jī)械鎖必須使用機(jī)械鑰匙開門，卡片鑰匙式電子鎖需要卡片作為鑰匙開門，而且這兩類鎖都存在易復(fù)制、易被他人解鎖和易丟失的問題；同樣，傳統(tǒng)電子密碼鎖也存在密碼容易被盜等缺點(diǎn)。為此，筆者基于STM32F103ZET6單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種以指紋和密碼共同控制的指紋密碼鎖，將指紋的唯一性和多樣性特征與現(xiàn)代科技相結(jié)合，使信息安全、經(jīng)濟(jì)安全、人身安全的保障相較于傳統(tǒng)的鎖具更加可靠、多樣和便捷。

1 總體方案

基于STM32F103ZET6單片機(jī)的指紋密碼鎖主要由總控制器、指紋模塊、密碼輸入模塊、顯示模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、聲光報(bào)警模塊、字庫(kù)存儲(chǔ)模塊及其他擴(kuò)展模塊等組成（圖1）。通過總控制器控制指紋模塊，實(shí)現(xiàn)指紋的識(shí)別；指紋模塊實(shí)現(xiàn)指紋的采集和保存功能；密碼輸入模塊實(shí)現(xiàn)密碼的輸入、修改和保存，達(dá)到控制電磁鎖的目的；顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的工作狀態(tài)；觸摸屏用于實(shí)現(xiàn)錄取和刪除指紋的功能，也可以提醒使用者進(jìn)行下一步操作；聲光報(bào)警模塊的主要作用是實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞；執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電磁鎖，通過總控制器對(duì)指紋模塊和密碼輸入模塊進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電磁鎖的打開與關(guān)閉功能；字庫(kù)存儲(chǔ)模塊主要指SRAM和SD卡，用于液晶顯示漢字；其他擴(kuò)展模塊包括電源、繼電器等，起到提供電源、控制電路等作用。

圖1 指紋密碼鎖組成結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括電源模塊、指紋模塊、4×4矩陣鍵盤、顯示模塊、存儲(chǔ)器模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其他擴(kuò)展模塊等。

2.1 電源模塊

電源輸入部分采用USB接口供電，以提高其適應(yīng)環(huán)境的能力。輸入部分為+5V，輸出部分有+5、+3.3V，其中+5V供系統(tǒng)模塊使用，+3.3V屬于外部擴(kuò)展，便于系統(tǒng)與其他系統(tǒng)配合，提高本設(shè)計(jì)的兼容性與廣泛的適應(yīng)性。該模塊采用AMS1117-3.3芯片，將+5V轉(zhuǎn)換為+3.3V。系統(tǒng)電源模塊如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電源模塊

2.2 指紋模塊

ATK-AS608是高性能的光學(xué)指紋識(shí)別模塊，芯片內(nèi)置DSP運(yùn)算單元，集成了指紋識(shí)別算法，能高效快速地采集圖像并識(shí)別指紋特征［1］。模塊性能穩(wěn)定、功能完善，兼具指紋采集、指紋登記、指紋比對(duì)及指紋搜索等功能［2］。模塊本身配備了串口、USB通信等接口，用戶不需要研究復(fù)雜的圖像處理過程和指紋識(shí)別算法，只需按照串口和USB通信協(xié)議便可控制模塊。模塊可應(yīng)用于指紋鎖、各種考勤機(jī)、保險(xiǎn)箱柜及指紋門禁系統(tǒng)等場(chǎng)合。

2.3 密碼輸入模塊

密碼輸入模塊主要由矩陣鍵盤組成，矩陣鍵盤原理如圖3所示。

圖3 矩陣鍵盤原理

矩陣鍵盤是整個(gè)系統(tǒng)密碼輸入的核心部分。數(shù)字1、2、3、4、5、6、7、8、9、0分別用按鍵S1、S2、S3、S5、S6、S7、S9、S10、S11、S14表示；S16為進(jìn)入鍵（密碼更改后使用）；S4為退出鍵；S8為進(jìn)入管理員界面按鍵；S12為模式選擇鍵；S13為取消鍵；S15為確認(rèn)鍵。

2.4 顯示模塊

為了在系統(tǒng)運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)顯示其工作狀態(tài)，并考慮人性化設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)加入顯示模塊，選用ATK-4.3TFTLCD電容式觸摸屏模塊［3］，將單片機(jī)處理后的指紋采集情況和密碼輸入結(jié)果用于人機(jī)交互顯示到TFTLCD液晶顯示模塊上。TFTLCD液晶顯示模塊如圖4所示。

2.5 存儲(chǔ)器模塊

存儲(chǔ)器模塊主要由SD卡和SRAM兩部分組成。SD卡是基于Flash的存儲(chǔ)卡，支持SPI和SDIO兩種模式。主機(jī)依次分別訪問每個(gè)卡，每個(gè)卡的CID寄存器中已預(yù)編程了一個(gè)唯一的卡標(biāo)識(shí)號(hào)，用以區(qū)分不同的卡［4］。

圖4 TFTLCD液晶顯示模塊

2.6 電磁鎖

本設(shè)計(jì)中，考慮到設(shè)計(jì)本身的意義和自身?xiàng)l件的限制，決定采用12V小型電磁鎖，該鎖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、重量輕、體積小且安全可靠，其主要特性如下：

使用電壓 12～24V（DC）

允許電流 0.8～1.2A

功耗 9.6～28.8W

通電動(dòng)作時(shí)間 不大于1s

允許連續(xù)接通時(shí)間 不大于10s

2.7 其他部件

本設(shè)計(jì)中，選用STM32F103ZET6單片機(jī)作為總控制器。選用藍(lán)色LED作為電源指示燈，用紅色和綠色LED分別表示信號(hào)指示燈。指紋輸入、指紋錄取和指紋刪除過程采用有源蜂鳴器報(bào)警，起到提示的作用，并方便操作。繼電器選擇3.3V SONGLE型。三極管選擇8550PNP型。

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件全部采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)的控制程序分為主函數(shù)、功能函數(shù)和驅(qū)動(dòng)函數(shù)3部分。各模塊都單獨(dú)調(diào)試，調(diào)試無(wú)誤后再整合在一起組成整個(gè)控制系統(tǒng)軟件。程序編輯采用模塊化設(shè)計(jì)，可方便后期維護(hù)，對(duì)于代碼的優(yōu)化也有很大的益處，在整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試過程中，也可以很快地修改對(duì)應(yīng)功能的程序。指紋模塊在總控制器的控制下進(jìn)入自動(dòng)指紋識(shí)別狀態(tài)，在指紋識(shí)別成功的情況下輸入密碼，如果密碼輸入正確則電磁鎖打開，否則電磁鎖打開失敗。

系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖5所示，首先由總控制器判斷各模塊工作是否正常；然后液晶屏顯示虛擬鍵盤可進(jìn)行指紋錄取和刪除功能，如果不需要?jiǎng)t進(jìn)入下一步，如果需要錄取或者刪除指紋則在觸摸屏上按下“錄取”或“刪除”鍵，完成指紋的錄取或者刪除過程；之后進(jìn)入密碼輸入階段；最后判斷密碼是否修改。其中，指紋模塊和密碼輸入模塊的運(yùn)行流程如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行流程

圖6 指紋模塊和密碼輸入模塊運(yùn)行流程

在軟件編程和程序設(shè)計(jì)過程中，本設(shè)計(jì)用STM32F103ZET6單片機(jī)內(nèi)部基礎(chǔ)資源USART2實(shí)現(xiàn)串口控制功能，采用AS608指紋模塊與STM32F103ZET6單片機(jī)相連實(shí)現(xiàn)指紋的錄入，采用TFTLCD液晶觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，使用SD卡的SPI通信方式實(shí)現(xiàn)錄入指紋的存儲(chǔ)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以單片機(jī)為總控制器，以光學(xué)式指紋識(shí)別模塊為指紋采集模塊，以矩陣鍵盤作為密碼輸入設(shè)備，采用TFTLCD觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互界面的指紋密碼鎖系統(tǒng)。已經(jīng)錄入指紋的手指識(shí)別情況如圖7所示，錄取指紋成功和錄取指紋失敗的情況如圖8所示。

圖7 已經(jīng)錄入指紋的手指識(shí)別界面

圖8 錄取指紋失敗和錄取指紋成功的界面

4 系統(tǒng)調(diào)試

在設(shè)計(jì)過程中，有意識(shí)地規(guī)避了試驗(yàn)儀設(shè)計(jì)存在的缺點(diǎn)，為指紋密碼鎖整體性能的穩(wěn)定提供了保證。

按鍵掃描過程中，按鍵所要表達(dá)的信息并未完全正確表現(xiàn)出來(lái)，查看硬件電路圖正確后，改變了相應(yīng)的C語(yǔ)言程序，使得結(jié)果符合預(yù)期。

在總體程序編寫完成以后，通過編譯，會(huì)發(fā)現(xiàn)程序中有錯(cuò)誤或者警告。根據(jù)提示，完成語(yǔ)法的修改，直到編譯沒有錯(cuò)誤為止。

以PCB功能板為基礎(chǔ)進(jìn)行功能驗(yàn)證時(shí)，由于PCB功能板電磁鎖設(shè)計(jì)部分引線接錯(cuò)，使得程序無(wú)法在PCB功能板上顯示出功能。通過更改PCB功能板的接線，最終實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能的顯示。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于單片機(jī)的指紋密碼鎖的硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各模塊的選擇、模塊的調(diào)試、元件的選定、原理圖繪制、PCB創(chuàng)建、元器件焊接及板子調(diào)試等工作；軟件部分通過總控制器對(duì)指紋傳感器的工作方式進(jìn)行控制，利用矩陣鍵盤進(jìn)行密碼的輸入調(diào)試，實(shí)現(xiàn)觸摸屏的人機(jī)交互，最終利用總控制器對(duì)繼電器的控制實(shí)現(xiàn)了門鎖打開功能，但關(guān)閉功能還有待改進(jìn)。需要說明的是，本設(shè)計(jì)還有改進(jìn)的空間，可以加入報(bào)警模塊、非法闖入檢測(cè)模塊和面部識(shí)別模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)外來(lái)非法進(jìn)入的報(bào)警。本設(shè)計(jì)應(yīng)用范圍廣，可安全、便捷、有效地滿足客戶需求。